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지진응답스펙트럼에 대한 낮은 심도의 토사지반과 하부구조의 영향

DC Field Value Language
dc.contributor.advisor박홍근-
dc.contributor.author김동관-
dc.date.accessioned2017-07-13T06:32:53Z-
dc.date.available2017-07-13T06:32:53Z-
dc.date.issued2013-08-
dc.identifier.other000000013800-
dc.identifier.urihttps://hdl.handle.net/10371/118633-
dc.description학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 건축학과, 2013. 8. 박홍근.-
dc.description.abstract지진동시 지반의 움직임은 관성력으로 구조물의 지진하중을 유발한다. 1985년 멕시코 지진과 같이 진앙으로부터 기반암까지 전달된 지진파는 토사지반에 의해 크게 증폭되어 구조물에 큰 손상을 미칠 수 있으므로, 내진설계기준에서는 이러한 지반에 의한 지진파의 증폭을 고려하여 설계하도록 정하고 있다. 이러한 구조물의 지진응답에 영향을 미치는 지반운동은 토사지반에 의한 지진파의 증폭인 부지효과 (Site Effect)와 지반과 기초에 의한 상부구조물의 거동인 지반-구조물 상호작용 (Soil-structure interaction)으로 대별되어 설계에 적용되고 있다. 하지만, 국내와 같이 토사지반의 심도가 얕고, 지하층이 기반암에 고정된 경우에는 지반과 구조물이 인접하여 서로 영향을 미치기 때문에 분리하여 고려될 수 없다. 따라서 본 연구에서는 이를 동시에 고려하여 구조물의 지진응답에 대한 토사지반과 하부구조의 영향을 파악하기 위한 수치해석 및 원심모형실험연구를 수행하였다.
부지효과 대하여 지반-구조물 상호작용과 자유장 운동을 동시에 고려할 수 있는 2차원 비선형 유한요소 해석방법을 제안하였다. 제안된 해석방법을 사용하여 국내 487가지 지반조건에 대한 변수해석연구를 수행하였다. 해석결과로부터 지반에 의한 구조물의 지진응답은 지반과 구조물 간의 공진에 의해 크게 증폭됨이 관찰되었다. 따라서 구조물에 유발되는 지진하중을 합리적으로 결정하기 위하여, 지반분류의 기준이 기존에 지반의 재료적 물성뿐만 아니라 토사의 심도를 동시에 고려한 지반주기가 되어야 함을 파악하였다. 또한 지반의 동적거동에 따른 구조물의 지진응답 특성을 정확히 모사할 수 있는 설계응답스펙트럼 작성법을 제안하였다.
부지효과와 지반-구조물 상호작용의 영향을 관찰하기 위하여 실제 지반 및 구조물의 응력상태를 모사할 수 있는 원심모형실험을 수행하였다. 지반주기를 기준으로 주기가 다른 7개의 상부 단자유도 구조물과 지하구조물로서 얕은 기초와 기반암에 고정된 지하층 그리고 지반에 묻힌 지하층에 대한 실험연구를 수행하였다.
얕은 기초가 있는 구조물의 거동은 구조물의 순변형 뿐만 아니라 기초의 수평변형과 기초와 구조물의 강체회전변형이 동시에 발생하였다. 따라서 유연한 기초의 영향으로 구조물의 진동주기가 증가하고 감쇠가 증가하여, 고정단 모델에 의해 예측된 지진하중보다 작은 지진하중이 관찰되었다. 또한 구조물에 작용하는 최대 지진하중은 지반과 기초가 저항할 수 있는 극한모멘트에 의해 제한되으며, 이는 고정단 모델에 의해 예측된 최대 지진하중의 1/3~1/15 이었다.
얕은 기초의 수평 및 회전변형에 대한 강성과 감쇠를 관찰하기 위하여, 확장칼만필터를 사용하여 시스템 판별을 수행하였다. 수행된 시스템 판별은 비교적 정확히 기초와 지반 사이의 비선형 거동을 예측하였으며, 기초의 수평 및 회전강성은 기초에 작용하는 중력하중의 영향을 받는 것이 관찰되었다.
지하층이 암반에 고정되어 있는 경우, 지하층은 상대적으로 큰 규모의 지반의 움직임에 의해 강제진동 하였으며, 지반-지하층의 상호작용계의 새로운 진동주기로 거동하였다. 또한 암반에 고정된 지하층 위에 있는 구조물의 지진응답이 자유장 운동을 사용한 고정단 구조물의 응답보다 크게 관찰되었다. 이러한 실험결과를 바탕으로 지반-지하층 상호작용계를 모사할 수 있는 단순화된 해석방법을 제안하였다.
지하층이 전체 토사 깊이의 반만 묻혀있는 경우, 지하층의 강성은 고정된 지하층만큼 발현되지 못하였으며, 지반의 진동주기와 유사하거나 긴 진동주기로 거동하였다. 또한 자유장 운동을 사용한 고정단 구조물의 응답보다 큰 상부구조물의 지진응답이 관찰되었다. 이는 기존의 연구 및 기준에서 묻힌 지하층을 질량이 없는 강체로 가정하여 지진응답을 저감하는데 반하는 실험결과로서, 구조해석시 실제 지하층의 강성과 질량이 반영되어야 함을 나타낸다.
마지막으로, 해석 및 실험결과를 바탕으로 내진설계시 구조물의 지진응답을 합리적으로 예측할 수 있는 개선안을 제안하였으며, 이는 다음과 같다. 1) 구조설계기준을 위한 설계응답스펙트럼, 2) 기초의 강도를 고려한 지진하중 결정 및 내진성능평가방법, 3) 지하층의 영향을 고려한 내진설계절차 등이 있다.
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dc.description.tableofcontentsAbstract i
Contents iv
List of Tables xi
List of Figures xiii
Chapter 1. Introduction 1
1.1 General 1
1.2 Scope and Objectives 3
1.3 Outline of Dissertation 5
Chapter 2. Nonlinear Seismic Response Analysis for Shallow Soft Soil Deposits 6
2.1 Introduction 6
2.2 Numerical Analysis Method 8
2.2.1 Finite element model 8
2.2.2 Deconvolution of input earthquake acceleration 14
2.3 Analysis Variables 19
2.3.1 Analysis methods 20
2.3.2 Soil properties 21
2.3.3 Input earthquake acceleration 21
2.3.4 Foundation width and Mass of structure 22
2.4 Free-field motion 23
2.4.1 Elastic soil conditions 23
2.4.2 Inelastic soil conditions 24
2.5 Soil-structure interaction 30
2.5.1 Soil depth 30
2.5.2 Foundation width 36
2.5.3 Mass of structure 38
2.6 Discussions 40
Chapter 3. Site Response Analyses on 487 site profiles in Korea 41
3.1 Introduction 41
3.2 Numerical Analysis Method 43
3.2.1 Finite element model 43
3.2.2 Site conditions 45
3.2.3 Input accelerations 50
3.2.4 Deconvolution for multi-layered soil deposits 54
3.3 Parametric Study and Results 58
3.3.1 Summary of results for all 487 sites 58
3.3.2 Characteristic response of each site class 61
3.3.3 Variation of response spectra according to EPGA 67
3.4 Discussions 70
Chapter 4. Design Response Spectrum for Shallow Soft Soil Deposits in Korea 72
4.1 Introduction 72
4.2 Current Design Response Spectra 74
4.3 Design Response Spectrum Based on VS,30 (DRS-1) 79
4.3.1 Site coefficients according to VS,30 79
4.3.2 Comparison between test results and DRS-1 82
4.3.3 Discussions for DRS-1 85
4.4 Design Response Spectrum Based on Site Period TG (DRS-2) 89
4.4.1 Site coefficients according to site period 89
4.4.2 Comparison between test results and DRS-2 91
4.5 New form of Design Response Spectrum (DRS-3) 94
4.5.1 Constant acceleration range according to site period 94
4.5.2 Re-calculation of Site coefficients 95
4.5.3 Comparison between test results and DRS-3 97
4.5.4 Future work – response amplification of structure in inelastic state 97
4.6 Evaluation of Site Period 99
4.7 Discussions 102
Chapter 5. Centrifuge Test 104
5.1 Introduction 104
5.2 Test program 105
5.2.1 Scaling law for centrifuge testing 105
5.2.2 KAIST centrifuge and inflight earthquake simulator 106
5.3 Free Field Ground Motion and Elastic Response Spectrum 108
5.3.1 Free-field ground motion 108
5.3.2 Site effect on elastic response spectrum 110
5.3.3 Comparison of response spectra from centrifuge test and the proposed method 113
5.4 Discussion 116
Chapter 6. Earthquake Responses of Soil – Shallow Foundation and Structure System 118
6.1 Introduction 118
6.2 Test Specimen 119
6.2.1 Structure models 119
6.2.2 Soil properties 122
6.2.3 Input accelerations 124
6.3 Equation of Motion of Flexible Base Structure 125
6.4 Measured Acceleration Time History of Structure 127
6.5 Displacement Time History of Structure 130
6.5.1 Filtering the measured accelerations 130
6.5.2 Displacements of structure 131
6.6 Pseudo-acceleration of Structure 136
6.7 Effect of Soil – Shallow Foundation and Structure Interaction 139
6.7.1 Ultimate moment capacity of foundation 139
6.7.2 Bounding Surface 143
6.7.3 Dynamic periods of structures 146
6.8 Evaluation by FEMA 356 and 440 148
6.8.1 Evaluation of dynamic period 148
6.8.2 Evaluation of pseudo-acceleration 150
6.9 Discussion 156
Chapter 7. System Identification on Soil – Shallow Foundation and Structure System 158
7.1 Introduction 158
7.2 Previous Research for Stiffness and damping 159
7.2.1 Gazetas formulas and charts 159
7.3 System Identification using Extended Kalman Filter 161
7.3.1 Extended Kalman Filter 161
7.3.2 State Space expressions of the SSI model 164
7.3.3 Linearization of state equation 168
7.3.4 Observation equation 169
7.4 Comparison of System Identification and Centrifuge Test Results 171
7.4.1 Tim history responses 171
7.4.2 Evaluation on Gazetas formula and charts 178
7.4.3 Pseudo-accelerations 180
7.5 Discussion 182
Chapter 8. Earthquake Reponses of Soil – Basement and Structure System 183
8.1 Introduction 183
8.2 Test Program 185
8.2.1 Test specimen 185
8.2.2 Input earthquake accelerations 191
8.2.3 Measurement of accelerations of test specimens 192
8.3 Earthquake Responses of Soil and Basements 194
8.3.1 Time history responses 194
8.3.2 Dynamic period of basement 198
8.3.3 Peak acceleration 200
8.3.4 Response spectra of basements 202
8.3.5 Ratio of response spectra 205
8.4 Earthquake Responses of Structures on Fixed Basement 209
8.4.1 Equation of motion 209
8.4.2 Acceleration Time History 211
8.4.3 Peak acceleration 213
8.5 Earthquake Responses of Structure on Embedded Basement 214
8.5.1 Acceleration Time History 214
8.5.2 Peak acceleration 216
8.6 Simplified Analysis Model Considering Soil-Basement System 217
8.6.1 Response trend of structure on fixed basement 217
8.6.2 Simplified analysis model 218
8.7 Dynamic Earth Pressure 226
8.7.1 At-rest earth pressure 226
8.7.2 Time history response 228
8.7.3 Dynamic earth pressure profile 229
8.7.4 Ratio of dynamic earth pressure to at-rest earth pressure 232
8.8 Discussion 235
Chapter 9. Improvement on Design Procedure 237
9.1 Introduction 237
9.2 Design Response Spectrum for Code Provision 238
9.2.1 Site class 238
9.2.2 Design response spectrum 239
9.2.3 Comparison between proposal and other research spectra 243
9.2.4 Improvement on design response spectrum in KBC2013 246
9.3 Seismic Design and Performance Evaluation Procedures Considering Ultimate Moment Capacity of Soil-Foundation System 249
9.3.1 Design procedure considering soil-structure interaction 249
9.3.2 Performance evaluation of structure 254
9.4 Design Procedure Considering Basement in Soil Deposits 256
Chapter 10. Conclusions 261
10.1.1 Nonlinear Seismic Response Analysis for Shallow Soft Soil Deposits 261
10.1.2 Site Response Analyses on 487 site profiles in Korea 262
10.1.3 Design Response Spectrum for Shallow Soft Soil Deposits in Korea 262
10.1.4 Earthquake Reponses of Soil-Shallow Foundation and Structure System 263
10.1.5 System Identification on Soil-Shallow Foundation and Structure System 264
10.1.6 Earthquake Reponses of Soil-Basement and Structure System 264
References 266
초 록 273
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dc.formatapplication/pdf-
dc.format.extent7264950 bytes-
dc.format.mediumapplication/pdf-
dc.language.isoko-
dc.publisher서울대학교 대학원-
dc.subject내진설계-
dc.subject지진응답스펙트럼-
dc.subject지반-구조물 상호작용-
dc.subject얕은기초-
dc.subject깊은 지하층-
dc.subject시스템 판별-
dc.subject.ddc690-
dc.title지진응답스펙트럼에 대한 낮은 심도의 토사지반과 하부구조의 영향-
dc.typeThesis-
dc.description.degreeDoctor-
dc.citation.pages1,275-
dc.contributor.affiliation공과대학 건축학과-
dc.date.awarded2013-08-
Appears in Collections:
College of Engineering/Engineering Practice School (공과대학/대학원)Dept. of Architecture and Architectural Engineering (건축학과)Theses (Ph.D. / Sc.D._건축학과)
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